在過去十年中，嵌入式設(shè)備的操作系統(tǒng) （OS） 發(fā)生了顯著發(fā)展，解決了日益增長的處理器復(fù)雜性問題，并為開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序提供了更完整的軟件平臺(tái)。然而，直到現(xiàn)在，電源管理仍然是事后的想法。隨著電源效率成為當(dāng)今電子行業(yè)面臨的主要問題之一，操作系統(tǒng)在能源管理中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

更智能的操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)最終控制所有設(shè)備，因此必須決定關(guān)閉什么以及何時(shí)關(guān)閉。但是電源管理提出了一些操作系統(tǒng)必須解決的問題。可以控制哪些設(shè)備？在低功耗狀態(tài)下節(jié)省了多少電量，進(jìn)入這些狀態(tài)時(shí)是否必須保存一些上下文？恢復(fù)全功率需要多長時(shí)間？這些問題的答案因設(shè)備而異，因此操作系統(tǒng)必須能夠處理各種可能性。

考慮以下實(shí)際情況。如果操作系統(tǒng)關(guān)閉了某個(gè)設(shè)備并且很快又需要該設(shè)備，則在重新啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)令人討厭的延遲。另一方面，如果操作系統(tǒng)等待關(guān)閉設(shè)備的時(shí)間過長，就會(huì)白白浪費(fèi)能源。然后，目標(biāo)是找到讓操作系統(tǒng)就關(guān)閉什么和何時(shí)關(guān)閉做出明智決定的算法和方法。

反應(yīng)式方法

無功功率管理代表了最基本的功率管理方法。今天的系統(tǒng)已經(jīng)包含了電源管理的原始元素。例如，芯片制造商多年來一直在其設(shè)備中設(shè)計(jì)電源管理設(shè)施。有些是自動(dòng)的，實(shí)現(xiàn)起來開銷很小；其他人需要軟件來管理系統(tǒng)。

但是，并非所有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 都提供限制功耗的必要功能。許多嵌入式操作系統(tǒng)旨在引導(dǎo)設(shè)備并啟用板上的所有驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)。但是，當(dāng)將缺乏電源管理視為一項(xiàng)成本時(shí)，將每個(gè)設(shè)備一年的供電成本乘以世界上所有數(shù)十億臺(tái)設(shè)備，很快就會(huì)導(dǎo)致數(shù)百兆瓦時(shí)的電力浪費(fèi)。

很明顯，系統(tǒng)必須變得更加節(jié)能，而無功功率管理是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步。設(shè)計(jì)人員必須首先了解每個(gè)設(shè)備在系統(tǒng)中的角色、其使用生命周期、與它相關(guān)的其他設(shè)備、它提供的控制以及如何通過啟用反應(yīng)性方法來最大限度地減少其功耗。

實(shí)施無功功率管理涉及系統(tǒng)中每個(gè)功率域的狀態(tài)機(jī)。電源域是可以控制以最小化功耗的芯片或組件的區(qū)域。如果一個(gè)芯片可以斷電或進(jìn)入低功耗狀態(tài)，那么它就是一個(gè)電源域。屬于該域的所有設(shè)備都由它控制。如果電源域由以太網(wǎng)控制器和 USB 控制器組成，并且其中任何一個(gè)都需要全電平電源，則電源域必須打開。但是，如果沒有一個(gè)都在使用電源，則可以將其斷電。

此外，電源域與其他設(shè)備有關(guān)聯(lián)。一個(gè)典型的例子是 LCD 及其背光。設(shè)計(jì)人員可以監(jiān)控 LCD 上什么時(shí)候不會(huì)顯示任何內(nèi)容，并且可以通過關(guān)閉背光來縮減背光消耗的功率。但是鍵盤呢？它必須在某個(gè)級(jí)別開啟，并且可能一直開啟。當(dāng)有人觸摸一個(gè)鍵時(shí)，他們期望處于半功率狀態(tài)的背光將被帶至全功率。這是一個(gè)權(quán)力協(xié)會(huì)。

設(shè)備可以有非常簡單的狀態(tài)機(jī)和相關(guān)的超時(shí)，并且會(huì)響應(yīng)一個(gè)過期的定時(shí)器來改變狀態(tài)。這是無功功率管理；電源決定是根據(jù)設(shè)備最后一次使用的時(shí)間做出的。采用這些技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)制造商將立即看到其設(shè)備的節(jié)能效果。

主動(dòng)策略

主動(dòng)式電源管理是設(shè)計(jì)人員可以預(yù)測未來的概念。當(dāng)然，這是不可能的；但是，設(shè)計(jì)人員可以使用復(fù)雜的調(diào)度技術(shù)來預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的功耗。這些數(shù)據(jù)可以通過使用電力使用場景對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程或通過動(dòng)態(tài)測量哪些域處于活動(dòng)狀態(tài)以及何時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)來手動(dòng)發(fā)現(xiàn)。

例如，如果一個(gè)系統(tǒng)有 10 個(gè)任務(wù)并且所有任務(wù)都準(zhǔn)備好運(yùn)行，那么設(shè)計(jì)人員可以預(yù)期系統(tǒng)會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)忙于運(yùn)行這些任務(wù)。以高功率運(yùn)行 CPU 是有意義的。但是，哪些 10 個(gè)任務(wù)正在運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生顯著差異。如果設(shè)計(jì)人員能夠確定每次某個(gè)任務(wù)準(zhǔn)備好運(yùn)行（不管它實(shí)際是否被調(diào)度），系統(tǒng)將增加其功耗；然后他們可以使用動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放 （DVFS） 來提供足夠的周期來完成工作而不會(huì)浪費(fèi)電子。這說明了為什么在某些情況下，最好現(xiàn)在消耗更多的電量，以免在等待電源模式更改時(shí)降低用戶體驗(yàn)的質(zhì)量。

生態(tài)設(shè)計(jì)，打造更綠色的明天

設(shè)備集成商必須采取全面的節(jié)能方法，從能夠縮減功耗的硬件和基礎(chǔ)設(shè)施開始，并采用能夠控制設(shè)備整體功耗的軟件。這種方法的核心是結(jié)合了被動(dòng)式和主動(dòng)式電源管理技術(shù)的電源感知操作系統(tǒng)平臺(tái)。追求更節(jié)能設(shè)備的制造商將通過延長電池壽命來使他們的客戶受益，同時(shí)為我們所有人留下更環(huán)保的遺產(chǎn)。

審核編輯：郭婷